天下定位与导航，皆系于时间
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天下定位与导航，皆系于时间
从麦哲伦的远航到GPS，测量时间与相对距离即能知晓你所处何方
匿名 2015年2月24日，星期二
我刚刚重读完一本关于麦哲伦历史性成就的书。差不多就在整整500年前，麦哲伦的发现之旅首次有效地驱散了笼罩在人们对世界地理正确认知之上的迷雾。在我人生的大部分时间里，我都与地理空间信息技术问题打交道，不禁注意到麦哲伦面临的许多挑战直接源于当时导航技术的局限。这位著名探险家遇到的基本问题，在今天旅行时同样需要回答：我在哪里？如今我们知道，首先要问的是：现在是什么时间？
费迪南德·麦哲伦。图注写道：“费迪南德·麦哲伦，你征服了那著名的、狭窄的南方海峡。” 公共领域
人们早就知道地球是球形的。古希腊地理学家埃拉托色尼甚至在公元前240年左右就以惊人的准确性计算出了地球的周长。但在大航海时代之初的欧洲人，对于他们渴望探索的世界地理却怀有大量令人震惊的误解和神话。古代已知的三大洲被认为是水域——大洋——所包围。赤道以南的南半球直到最近才开始被探索。哥伦布曾研究过埃拉托色尼关于地球大小的著作，但他相信地球的周长远比实际要小。在试图通过向西航行和环球航行到达东方时，哥伦布始终对他所遇到的、后来被称为美洲的土地的实际位置感到困惑。
弗拉·毛罗地图，约1450年。中世纪的欧洲人缺乏世界地理知识。公共领域
哥伦布航行到“印度群岛”二十五年后，麦哲伦希望完成他的前任未能做到的事情：通过向西航行到达东亚（及其丰富的香料财富）。为了实现这个目标，他知道自己首先必须发现并成功穿越一条被认为存在于某个南纬度的海峡，这条海峡将穿过南美大陆，连接大西洋和其西海岸的海洋（即我们现在所知的太平洋）。在他能够遇到这个传说中的海峡之前，他将航行到任何现存地图之外，真正进入未知领域。从那时起，他实际上将开始绘制描述这些未知世界部分的地图。他如何能知道自己要去哪里？他甚至如何知道自己在哪里？
那个时代的航海者已经有相当好的方法来知道他们的纬度，即他们距离两极以北或以南有多远，他们使用像星盘这样的仪器来“观测”某个天体通过连接南北的线（子午线）时的位置。通常每天测量正午太阳的倾角。困难在于确定他们相对于任何给定子午线以东或以西有多远，这被称为“经度问题”。唯一可用的导航技术是“航位推测法”，即根据已知或估计的速度、经过的时间以及从先前确定的固定位置开始的航向，来估计自身位置的过程。时间的流逝通过严格监控和翻转沙漏来保持，船只的速度则根据一根绑在测程仪上的绳索被抛入水中后、经过船尾的绳结数量来估算。这种方法非常容易产生累积误差，不适合跨洋航行，但它是麦哲伦时代水手们唯一可用的方法。
里斯本海事博物馆中的航海星盘。公共领域
正如我们所知，麦哲伦成功地找到并航行了以他命名的海峡，那是巴拿马运河开通前连接大西洋和太平洋的唯一可用海路。探险队确信他们很快就要到达亚洲了，因为就像哥伦布一样，地球的真实大小仍然被大大低估了。事实上，如果他们意识到太平洋有多么辽阔，他们绝不会试图用现有的船只和补给去横渡它。他们勉强完成了航程，尽管麦哲伦在后来被称为菲律宾的岛屿上死去，但五艘船中的一艘和大约22名船员幸存者（从出发时的约250人中），最终蹒跚地回到了西班牙。经过三年约60,000英里的航行，这些人成为历史上第一批真正环球航行的人。
麦哲伦的旗舰维多利亚号是唯一完成航程的船只。公共领域
由于对航行进行了跟踪并保存了详细的日志，这些人惊讶地发现他们在旅程中不知何故“丢失”了一天。他们认为是星期天，实际上是星期一。他们没有国际日期变更线的概念，是第一批体验到环绕地球这种时间效应的人。
时间这一要素是回答导航和定位问题的关键。由于地球以每小时15度的稳定速度旋转，时间和经度之间存在直接关系。经度问题最终通过建造可以携带到船上的机械计时器来解决，以在参考子午线上保持准确时间。有了这个，就可以利用测量到的太阳位置，计算出相对于该线（例如，穿过格林威治的线）的经度。
相对于某位置的经度可以通过太阳的位置来确定——前提是知道时间！图片由Duff06提供，许可协议CC0 1.0
今天，没有人需要再疑惑自己身处何方。像那些古代水手一样，我们可以依靠一群天体来确定我们的位置，但这些“星星”是发射无线电信号的卫星。就像麦哲伦某艘船上的航海家一样，你的GPS接收器通过测量这些天体的位置来确定你的位置。但是，当十六世纪的水手用沙漏测量时间流逝时，今天每颗GPS卫星都根据其搭载的非常稳定的原子钟，广播其自身精心保持的时间信号。GPS卫星之间相互同步，并与地面上更精确的主原子钟同步，将时间精度保持在近10纳秒内。这样的精度令人惊叹，但正是它使GPS定位如此精确。同样值得思考的是，每次我们使用GPS时，我们本质上都在实践麦哲伦航行寻找香料群岛时所依赖的同一门技艺。
航海应用中的民用GPS接收器。照片由Nachoman-au拍摄，许可协议CC BY-SA 3.0
